科学史(下)-第43部分

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泰勒（Geooffrey　Taylor）爵士用数学方法与实验方法研究，而且接近

于提出一种完善的理论。他的研究结果在很多方面可以应用于湍性流体在管

道里的流动以及晶体的受范形变，在气象和航空上，用途尤广。

卡皮查于1924、1927　年和以后的年代中，先在剑桥、后在莫斯科提出了
一个测定金属的磁性和其他某些磁效应的新方法①。这个方法的基本特点是在
若干分之一秒的时间内，给绕在试件上的测试线圈通以强大电流，快速工作
的目的是为了避免过热；在通电时间内，实验是依靠自动装置来进行的。起
初，电源是用一组缓慢充电、快速放电的蓄电池；后来用一台2000　瓩的单相
交流发电机，当发电机通过测试线圈短接时，电能量的供给是依靠储藏在发
电机转子里的动能。当电动力等于零时，自动开关接通了电路；当电动力再
一次等于零时，自动开关就将电路断开。这样一来，仅仅半周波交变电流起
作用，作用时间大约为1/100　秒。发电机的绕组经过特殊的设计，可以产生
顶部平坦的电流脉冲波，因此在这很短的时间内，磁场几乎保持不变。磁场
可以达到几十万高斯的程度。实验装置的造价很高，需要大规模工艺设备制
造，需要建造特殊的实验室来安放它们。线圈和发电机相距20　米，在短路冲
击到来前，整个实验就结束了，而这种冲击以每秒2000—3000　米的速度，通
过地面传向实验装置。

卡皮查与斯金纳（H。w。B。Skinner）在第一个厂房用13　万高斯的磁场研
究了塞曼效应。卡皮查在第二个厂房测量了铋和黄金的晶体的电阻率。他们
发现磁场的变比弱的是按平方律，强的是照线性律；在室温到液态空气温度
之间的温度范围内测量了35　个金属元素。1931—1933　年间，利用卡皮查设
计的液化氢和氦的新仪器，在相当大的温度范围内，测定了许多物质的磁化
率。

本书376　页介绍过热离子学的初期研究工作。理查森爵士首先详细地研
究了电子在真空里从热体逃逸的现象，而且给以完整的说明。同时他在光致
发射方面的研究也有助于解释物质与辐射间的相互作用。他也研究了和化学
作用有关的电子发射，对于填补紫外光谱与X　射线光谱之间的缺隙也有相当
的贡献。最近理查森更应用新量子论去解决氢光谱和氢分子结构的问题。

人们为了研究现代物理学，发明了许多新仪器，这些新仪器也引出不少
新的问题与其解答。在这些新仪器之中，我们必须提到电子显微镜。上面讲
过，电子流在磁力作用下，离开其直线路径而偏折，正如光线为透镜所偏折
一样。而且正象透镜可以借光线而形成一个放大的像一样，磁力也可以用夹

①　
Proc。Roy。Soc。A，1924；　1927。　


在照片底版上形成一个图案。因为与电子有关的波的波长是光波波长的百万
分之一，所以这些波能够给微小的物体造成一个明晰的形象。例如病毒，已
被拍照下来，还有人尝试把分子那样大小的结构，拍照下来。

电磁波的理论应归功于麦克斯韦（1870），电磁波的第一次发现归功于

赫兹（1887）。电磁波在无线电报与电话上的使用靠了两种发明：（1）马可

尼（Marconi）将天线用于发播和收集信号，并使足够的能量发生作用；（2）

上述热离子管研究成果的应用。

赫兹和早期的实验者所用的电磁波是感应圈所发出的电振荡；这些电波

因阻尼大，很快便消失了。但无线电波的传递需要连续而无阻尼的列波。如

果将热的灯丝和电池的阴极联接，再使灯泡里的一个金属板和阳极联接，灯

丝所发出的电子便会形成连续的阴电流，从灯丝传到金属板。可是将电极互

易，使无显著的电流通过。可见热离子管可以用作整流器，使半波通过，半

波受阻。如果用铁丝网作成栅极，放在热灯丝与板极之间，而且使其带阳电，

它便加强电子的发射，因而增加了热离子流。但是，相反地，如使其带阴电，

则会使热电子减少。当电位发生逆转时，电流往返振荡，于是交流便重合在

直流上。将这些往返的振荡通过变压器的原电路，再从副电路回去，给栅极

以其固有的交流电位，这样便维持住仪器的作用。由此可见热离子管有两种

用途，即发射稳定的无阻尼的列波，并于接收时起整流的作用。使这些调整

后的电流产生每秒100　至10，000　次的断续，再使其经过电话机，便可发出

一个相当于音频的声音，因而形成了无线电话。

从天线发射出去的能量，可以分为沿地面传播的地波和在地平线上空传

播的天波。天波，保持其能量的距离比较其在空间自由传播时所可以预期的

要大得多。电波之所以能在长距离上传递，是由于日光使地球高空大气电离，

而成为了导体。这一部分大气叫做电离层，也叫做肯涅利…亥维赛层

（Kennelly…Heaviside　layer）。这个名称是按照首先发现它的两个人的名

字命名的。电波进入这一导电区，受到反射与折射而回到地面，如果距离相

当长，电波又由地面反回电离层，如是往返数次，好象在甬道里传达一般。

靠了研究长距离无线电波的形态，获得许多关于电离层或多层电离层为知

识。从事这一工作的先有阿普顿（Appleton）爵士与巴尼特（Barnet），后

（1925）有美国的布赖特（Breit）与图夫（Tuve）。后两人使用的是短暂的

脉冲波。1926　年，阿普顿证明，高出地面150　英里还有一个反射或折射层，

比其他层的电性更强。这种反对使无线电波的行径发生弯曲，因而使环球传

递成为可能。同一原理也应用于无线电定位，即现今所谓的雷达技术。

固体反射电波，因而在发射处产生回波。这一原理在战争时期有极大的
价值，导至1939—1945　年间雷达在各方面的惊人发展①。

脉冲方法可用于大多数目的。一个电振荡器发出一个厘米波为猝发辐

射，有时历时不过百万分之一秒，由磁控电子管供给以足够的能量。这种磁

控电子管是伯明翰大学的一个工作组设计的一种装置。利用天线使能量集中

于一个十分确定的波束里。这束波在空间搜索，正如探照灯之照亮远物一般，

因而可以发现远处的船只、飞机、飞弹、地形，甚至即将来临的风暴中的雨

点。回波被他拍接收机所捕获，而在阴极示波器上表现出来。

1940　年，英国的雷达发现了敌人飞机的来袭，在不列颠战役中起了很大

①　
Radar，GovernmentSoftheUnitedStates　of　America　andGreatBrit…ain；　1945。


的作用，使少数人能够拯救很多人的生命，继后与美国合作，证明盟军的雷

达的优越性，大有助于赢得最后的胜利。
海战与航海也因此发生了革命性的变化。由于雷达可以定出远处的船

位，因而可以在敌舰还没有出现在视线内时便开始攻击。
雷达不受黑暗的妨碍，它可以导引船只穿过雾气，安全入港，且可以导

引飞机到达轰炸目标而又返回基地。

核型原子

上面说过，放射物质所发射出的带有阳电荷的质点在云室里的踪迹，通
常都是直线的，但是偶尔也可以观察到方向的骤然改变。1911　年，卢瑟福根
据比较间接的测量导出这些罕见的偏折，因而他想象原子的中心有一个微小
的阳电核，在碰撞时把α质点排斥出来①。

起初原子被看做是一个行星系的结构，阴电子环绕核心，在牛顿式的轨
道上运行。但是上面说过，量子论的创立与应用，在原子的概念上引起了一
场革命。新理论的主要特点在上述的那个时期里已经建立。但是在以后的年
代里又掀起另外一场观念上的革命，主要是由于发现了原子内新型粒子并且
发现了产生、计数和使用它们的方法。

在叙述这些新的粒子以前，我们必须追溯一下阿斯顿等人在元素及其同
位素的原子量的知识方面所取得的巨大进展①。阿斯顿的质谱仪（第一部质谱
仪现时陈列在南肯辛顿科学博物馆内），是根据J。J。汤姆生研究阳射线的仪
器的原理制成的。玻璃球B　（图17）为水银唧筒维持在低压下，其中盛有要
研究的元素的挥发性化合物，或者是这种元素的卤盐所构成的阳极。阳极在
A，阴极在C，其中穿有一隙缝S1。从阳极来的经过阴极隙缝的阳射线，再经
过第二隙缝S2　形成一个狭窄的阳射线束。这一窄束又经过两绝缘板E1　和E2
之间，这两板同200—500　伏的电池组的两极联结，这样，这一射线束就展开
成为一个电波谱。再利用两个光栏将这波谱的一部分隔离，然后使它在电磁
铁M　的两极之间经过。两个接地的铜版F　保护这些射线，不受偶然的电场的
影响，于是射线形成隙缝的聚焦像，而落在照相底片上。电磁力所造成的偏
折，使速度不同而有相同的e/m（电荷…质量比）值的射线，聚集在底片的同
一点上。

如果取一条谱线作为已知，把它与未知电磁场里的其他谱线比较，便可

测定原子射弹的相对质量。或者将磁场维持不变，调整电场，使未知谱线占

据已知谱线先前所占的位置，也可以根据电场的强度算出相对质量。这两个

方法均可以将已知和未知粒子的质量加以比较。这个仪器所给出的测量值仅

仅取决于质量，所以叫做“质谱仪”是很恰当的。第一合仪器所测得的质量，

误差为1/1000，第二台改进到1/10，000。芝加哥的登普斯特（Dempster）

发明了另416　一种仪器，内有磁场使射线弯曲成半圆形。还有一种质谱仪是

①　
N。Feather，Nuclear　Physics；Cambridge，　1936；Lord　Rutherford，The　NewerAlchemy；Cambridge；　1937；　

G。Gamow；Atomic　Nuclei；　Oxford，1937；E。N。da　C。Andrade；　The　Atom，and　its　Energy；　London，1947；Sir　George　

Thomson；The　Atom；　Oxford；　1947。

①　
F。W。Aston，Mass　Spectra　andIsotopes；　London，1933。　


哈佛的班布里奇（Bainbridge）所设计的，可以用来进行很精密的测量。

1919　年，阿斯顿的第一台质谱仪使用之后，研究成果纷至沓来。两条确
定的谱线证实了汤姆生研究氖的结果，在某一时期里差不多每个星期都有新
的同位素发现。1933　年，阿斯顿在他的《质谱与同位素》（Mass　Spectra　and　
Isotopes）一书中说：“在一切已知有相当数量存在的元素里，现在只有18
个还没有分析过”。到1935　年，人们已经知道有250　种稳定的同位素了。最
复杂的元素好象是锡，它有11　种同位素，其质量数自112　至124。根据这些
实验，普劳特首先提出的原子量是整数的规律，已经得到证实。210　这个数
字以下，差不多每一个数字都有一个稳定的基本原子。许多位置，两次或三
次被某些同位素占去，它们叫做“同量异位素”，换句话说，即是重量相同
而化学性质不同的原子①。

如上所述，α和β粒子的性质已为卢瑟福早期关于放射现象的研究所肯
定了。α粒子是氦原